（材料学专业论文）基于数据库的激光表面相变硬化专家系统.pdf

基于数据库的激光表面相变硬化专家系统 摘要 本文探讨并初步实现了激光表面相变强化处理的专家系 统，该系统结合了基予关系型数据库的知谖系统襄二维传热裰 变的数值分析模型。系统优先考虑使用数据库中的实际加工工 艺参数；猩数据库中没有满足该加工初始条件的工艺参数的情 我下，参考数据痒中鳇实踩燕王工艺参数，进嚣使用数僮分析 模型进行虚拟和分析处理，并对推理出的结果结合数据库中已 有的加工工艺参数进行修正处理，最终获得一个具有实际应用 徐筐的参考王艺参数；随著数摄痒中熟识鳃增热，本系统豹应 用范围将鼹加广泛和准确。该系统克服了完全依赖予数据库已 有知识的实用范围局限性，又克服了完全依赖于数值分析模型 越不准确蛙。 对本系统所采用的激光相交处理的热模型，考虑了模型中 涉及金属吸热和传热的主要原因，在此基础上对二维传热情况 进行了分橱及模拟计算。并显考虑了模型豹实用性释荔计算性， 以利于专家系统的建立。 本文首先阐述了激光相变硬化处理专家系统的必要性和意 义；然震详缨沦逑7 激光处理避程孛懿热模型，推导| 毽具毒实 际应用价值的计算公式；在第三章中，本文介绍了基予数据库 的专家系统的建立原则；第四章中，介绍丫本专家系统的概要 设计；第五章详缨分缨了本系统各拿功麓模块戆设计，实理纛 使用示例；第六章总结了本专家系统的优点和不足，提出了系 统未来的发展方向。 关键词：激光表面相交硬化，专家系统，数学模型，数据库 塑望兰些奎兰堡圭鲎些鎏茎一一 t h e e x p e r ts y s t e m o fl a s e rs u r f a c et r a n s f o r m a t i o n 珏鑫r 纛e n i 珏g 嚣i 咚e do 娃d a 埝b i | s e a b s r a e t h i ss t u d yd i s c u s s e sa n dr e a l i z e se l e m e n t a r n yt h ee x p e r t s y s t e m o fl a s e rs u r f a c et r a n s f o 娜a t i o nh a f d e n i n g ，w 量l i c hb a s e do n r e l e v a n td a t a b a s ek n o w l e d g es y s t e ma n do nb a s i so f t w o d i m e n t i o n a lh e a t 一n d u c ta 髓l y s em o d e l s + d u r i n g 穗ep o e e s s o f u s i n gt h i se x p e r ts y s t e m ，p a y t h eu t m o s ta t t e n t i o nt ou s i n gt h e a c l 醢鑫lp 1 o e e s s i n gl e e 歉鞋o l o g yp 鑫f 鑫掇e e fi n 基ed 矗 a 各箍s e ；王n 魏 s i t u a t i o nt h a th a v en o tm e tt h ec f a f tp a r a m e t e rt h a ts h o u l dp r o c e s s i n i i a lt e f ! n si n 凌ed a 8 b a s e ，e o 珏s 珏l ta e t u a lp l 移c e s s i n g t e c h n o l o g yp a r a m e t e r o ft h ed a t a b a s eb e i n gh a n d e di na n d d e s i g n e d ，a n d t h e nu s en u m b e fv a l u et oa n a l y s e h 8 tt h em o d e l 主s c a r r i e do nf i c t i t i o u s l ya n da n a l y s e sa n dp i 。o c e s s ，t h e nm o d i f y t 量l e r e s u l tw i t ht h ep r o c e s s i n gt c c h n o l o g yp a r a m e t e r t h a th 甜eb e e ni n l h ed a t a b a s e ，g e ta n e x p e f tw i t h r e a ll n o f es i g n i 拄c a n c ea n dc o n s u l t t h ec r a f tp a r a m e t e r f i n a l l y ；w i t h t h ei n c r e a s eo f k n o w l e d g e i nt h e d a 8 b a s e ，t h ea p p l i e a t i o 狂o ft 纛i ss y s t e l 藏w i l lb e 薹l l o f ew i d e 鑫n d e x a c t t h i ss y s t e mo v e r c o m e st h es h o r t a g ed u et 0c o m p l e t e l y d e p e n d i n g o 娃蠹el 至l 瘪l e d 鑫8 ab a s ek 珏o w l e d g e ，珏魏d8 v e l c o l 魏e s 魄e s h o r t a g et o t a l l yd e p e n d i n g o nn u m b e rv a l u eo fa n a l y s i n gt h e m o d e lt h ea e c u f a c y 。 t ot h i ss y s t e mm a m e m a t i c sm o d e la d o p t e d ，w ec o n s i d e r m o d e li n v o l v em e t a lh e a ta b s o r p i o na n dm a i nr e a s o nt oc o n d u c t b e a t ，c a r r yo n t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt oc a l c u l a t ei ns p r e a d i n g t h ee n t h u s i a s mc o n d i t i o nt w o 。d i m e n t i o n a l lo nt h i sb a s i s b e s i d e s ， 王t h i n 襄o v e ft b ep r a c l i c 鑫l i l ya n 蠢t | l ee a s i n e s so fa e c o 硅n to ft 蠹i s m o d e “no r d e ft ou p b u i l dt h ee x p e r ts y s t e m e a s i l y 一一塑垩三些查黧缝主堂些鲨茎 t h ed e n l a n da n ds j g n i f c a l j o no f t h ee x p e r ts y s t e mo fl 矗s e f s u r f a c et r a n s f o r m a t i o n h a r d e n i n gi sn a r r a t e df i r s t l y ；a n dt h e n d i s e 鞋s s 妻h el 矬o d e lo fl 鑫s e fp f o c e s s i 牲gd e a i l e d | y ，f o a s o 珏o 珏t h e c a l c u l a t i o ne x p r e s s i o n sw i t ha p p l i e dw o f t h ；l nt h e3 8 dc b a p t e f ，t h e e s a b l i s hp r i n c i p l eo f e x p e r ts y s t e l 】qb a s e do nr e l e v a n td a t a b a s ei s 霹i s c 珏s s e d 。薹nt 魏e4 8 dc 籍i 节e f 珏i ss t 娃d yi n t f o 娃娃c e st 魏es c 纛嘲a | 主c d e s i g no ft h i ss y s t e m i nt h e5 “dc h a p t e r ，t h i ss t u d yd i s c u s 8 e st h e d e s i g n ，r e a l i z a t i o na n du s ee x a m p l eo fe a c hf u n c t i o nm o d e l i nt h e l 魏s e h 2 零埝毛s 毛l 珏璐& r i z e s 量 博s 重r o n g o i 珏专鑫珏ds h o r 专鑫g eo f 专毯s e x p e r ts y s t e m ，a d v a n c e st h ef h t u r ed e v e l o p m e n td j l l e c f i o n0 f h i s s y s t e m 髓yw o r 瞒： l a s e rs u f f a c et r a n s f o r m a t i o n h a r d e n i n g ， e x p e f s y s 耄e m ，麓采攮e 趣鑫i c a | 糙o d e | ，矜a 曲a s e i h 赣江工韭天掌磺士学缱论文 第一章激光摆变硬化技术概述及 激光相变硬化工艺专家系统的提出 1 1 激光加工技术应用的发展与展望 1 1 1 激光加工技术图内外研究概况_ 7 由予激光舆有方肉性好、高能爨翱单魏牲好等一系列健点，皇6 0 年 代初间世以来，就受到科研领域的高度重视。激光技术推动了诸多领域 瓣逐猛发震，废鼹范溪越来越广，瓷麴工镁壤孛瓣应建成莱戈必显著“。 激光加工是指激光束作用于物体的表两而引起物体形状的改变，或 物体靛髓的改变的热工过程。按兜与镪蔟糈互伟褥梳璎，大体弼涛激光 加工分为激光热加工和光化学反应加工瓤类。激光热加工是捐激光束作 用于物体所弓 趋的快速热效应的各种加工过程；激光光化学反应加工系 指激光束圣# 用于物体，借助舞密度离能量党子引发或控制光化学反应酌 各种加工过程，也称为冷加工。热加工和冷加工均可对金属材料和非金 溪薅辩进行锈裁、封强、裁德、拣记等。热热工辩金震榜料避簿焊接、 相变硬化、切割均极有利；冷加工则对光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和 氧纯校合适。 按激光加工的应用类别分：切割约占4 0 ，标刻和焊接各占2 0 ， 表面改性、打孔和徽加工备占l o 。当前用于激光加工的激光器主要有 三类tc 0 2 、n d ：y a g 和凇分子( k l 擎、觚f ) 激光器，但髓着半导体激光 技术的迅速发展，使得二极管激光嚣、二极管泵浦全固体化激光器、光 纾激必爨移超短默羚激光器爨然遴入耪辩鸯霾王韭，特慰在擞缨麓工孛熬 应用增长更快托1 。激光加工应用的行业包括机械制造、纺机、医疗器械、 汽车、靛天靛窆、电予电器、毫麓邀穰、基兵露獒、跨众、稼工、包装 和工艺装饰等。全球现有激光加工蛄大约4 0 0 0 家。按其销售量分：美国、 目本和欧洲约备占l 3 1 3 。 在发达国家的加工业中，已逐步进入“光加工”时代。日零估计在 本世纪，激光加工将占整个加工业的l o 以上。目前，些国际性大公 港茳工盈丈学疆学稼论文 司积极采用先进的激光热工技术，以提寒产品的竞争力，如残门子公司 在它的一条流水线上就采用了4 0 0 多台激光器。激光加工不仅技术先进， 嚣显缀济效蕊显著。美国凌2 0 0 0 年震予材趱鸯曩工瓣激光嚣颈诗达判 2 0 0 0 0 台1 。我国激光加工市场前景广阔，预计平均以缚年2 0 3 0 速 率递增，毽奁激光鸯拜工系统戆胃靠缝、稳定往戳狡整舔仡、餐能纯、鑫 动化水平与国外差躐较大“1 ，这是制约我国激光加工技术进一步发展的 关键所在，国家正在积极采取措施，加速我国激光加工产业他的迸程和 发展。 l 。1 2 激光棚变硬纯技零瘦翅摄况9 1 激光表露热楚褒技术是激宠燕z 领域串懿二令重要耱应两方囱，像 措激光相变硬化技术、激光熔覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化 技术等，这些技术对敬变率雩精酶梳械往麓、耐热性和耐腐蚀憔等有重凄 作用，本文主安讨论激光相变硬化。 激光相交硬化( 即激光淬火) 是激光热处理中研究最早、最多、迸 旋最快、应用最广数一秽毅_ i 艺，逶廷予大多数零孝料纛不同形炊零终黯 不同部位，可提高零件的耐磨性和疲劳强度，国外一些工业部门将该技 零捧受僚 蒌产鑫囊鐾鹣手段。毒第一台激悫器予1 9 6 8 冬邃整竣来，蠛漫 发展成为世界范围的激光产业。1 9 7 6 年荑园福特公司开始将激光技术引 逑汽车内燃梳汽缸淬火，大丈提高了汽缸静耐磨毪及使藤寿命。随后， 许多发达国家先后应用此项技术。我国自8 0 年代中期在机车内燃机缸 套及汽车发询枫汽缸的修理上采用激光淬火处理。提高了汽缸的寿命。 截止至9 0 年代纫。匿内外赐予内燃规汽敷淬火戆激光基本上属予子瓦缴 c 0 2 激光。激光相变硬化工艺在国内外的工业应用中已经有很多成功的 实镄，下嚣举骥谖凌。 我国西安内燃机配件厂装备2 4 条发渤机缸体激光淬火热处理生产 线，年处理藏囊1 2 0 万套，懿套磨损寿命掇嵩2 3 倍捞。 武汉钢铁公司、湖南涟源钢铁厂、湖北鄂城钢铁厂铎装备大型轧辊 激光淬火设备詹，延长了轧辘使用搿命，颦节约成本上亿元。 2 浙江工业大学硕士学位论文 在矿业部门中，钻杆作为石油钻井、地质钻探、采矿钻孔的必铸工 具，在钻进过程中起着极其踅要的作用铺秆接头，作为锫扦静连接部 件，在锤进过程震经常拧彝，盈戮攘王螺纹镬荬强度海低，瑟接头部分 与况壁磨擦拢抒较为严黧慰兹，钴杼接头材料经常选用3 0 c r m n s j a 或 4 5 m n m o b ，在机械加工前要进行强化处理( 驻微硬度3 8 0 h v ) ，为提高接 头的表面硬度和耐磨性，经常进行高频淬火、镀硬铬等，淬火硬度达 8 0 0 h v ，淬火深度在o 7 m m 1 o m m 。侄垒产实验证疆，缝这样处瑶静 接头，使雳寿禽与棒钵魄较仍较戆。聪激必已发疑成为撼辩表鞭改憔兹 重要手段之一，可在不影响众属材料优良性能的前提下，提高表面的耐 磨、抗蚀、抗疲劳等性能。因此肖很多矿业部门都采用激光表面处理的 方法来提商钻杆接头的硬度和耐蚀性能。 激光表面强纯在工娩生产中静成功使蔫实铡还有很多，这鬃藏不一 一赘述。 1 1 3 激光相变硬化技术研究与应用中存在的问题 1 1 3 1设备矮量程技术标猿静参次不券导致工艺标獭无法统一 作为激光加工机械核心的激光器的质量仍是制约激光加工技术发展 的关键因素之，因为激光器的输出参数如功率、能量的稳定性、光束 质量、器件的可靠往都影响潜激光加工的成品率及效益。因此发展和完 善检溯技术，提高光束蔟蠢楚激巍麓i 痤焉技术蕾要解决鹃阔熬，巍是 促进激光加工嫂发展的一项黧要接施。光隶质量的实对在线黢测弗控 制调整加_ i 机械的工作状态w 保证加工质量，国外商品化的激光加工装 置几乎都配备激光监视系统和可供用户参考的工艺参数与方案。而国内 尚秃检测系统与整机配套的寇垄产品。 淤上稀释潺凌导致人霰京制定工艺标凇辩，只熊针对特定爨号熬设 备或者特定的激光发生器制定工艺标准，由于国内外生产激光加工系统 的厂家多，质覆有好有次，技术标准各不相同，导致激光加工工艺标准 无法统一，各个激光加正厂窳自行研究和制定各自的正艺标准，造成了 耩茳j 筵丈学磺壹学位论文 丈薰蘸重复劳动。 1 1 3 2 激光加工工艺技术 激光加工斌量的保证釉提离在很大程度上是取决予成熟的激光加工 工艺技术，即确定加工的最佳工艺参数，它是随激光技术不断发展并经 遥大量鹃废用研究与实践褥逐渐积累完善愁来的秘1 。霹戳这么说，激毙 加工技术的发展，就是激光加工工艺技术的提寒秘完豢。实对检测系统 为激光加工机的研制生产提供研究加工工蕊的手段，在此基础之上应该 逶步觚荜缝漩瓣蹙向蓝控，实现对簸佳加工光参量的实现控箭，傈证 用户在使用时的效粜。 在我国由于科技支撑能力不强，不仅存在以上几个制约激光加工产 业发展的关键技术闯题，还有研发成莱的捺广和激光加工市场的培育问 题( 穰珊成果转纯为生产力粒枧铡较蓑) ，众多应爆金数对激毙热王豹优 越性和熏要性严重认识不足，有待于激光加工科普的宣传，早日缩短与 国外的差距。 1 2 激光相交硬化工艺专家系统的提出及其意义 l 。2 。l 激必糖炎硬化在实黪瘟弼串存东趣设备襄王艺研究滞惑豹阉题 目前，我陶激光加工产业的发展受到了诸多因素的制约，这些制约 主溪来鸯激毙热王设备奉隽豹震萋阖越、激兜热工工艺磺究释雅广滞嚣。 在设备方颟，我国在横流c 0 2 激光加工设备和激光表面处理理论研 究上不亚于世界先进水平，有的还处乎国际领先地位，然而，激光加工 搜零霸产盈纯糕度遥远落籍手黧舞发达鏊家。究其主要嚣困楚：长麓戬 来l 掰的科研体制的制约下，偏重研究成果与学术水平，不重视成累推广 与成用，因此，很少有人从事从实验整科研成果到实际化生产要开展的 诲多芏髂，设务器璎论磺究虽然达到较高水平，键其开发靛浚各仍然难 以实现批量化擞产； 4 激茳工韭大学磋攀键论文 农萼| 进、演化、吸收霪辨先避技术嬲同对，我们也开发了自己的产 品，预计“十五”期间，大功率激光切割焊接设备的使用在汽车业将会 蔽整增长；激蹩熔敷萼錾会焱汽车、船麓、羲钢等霉整鸯定豹应蘧；专 业从事激光切割及不锈钢板的加工站将会增加。 程激走魏工工慈方蘑，奎予国内设备科技窘鬟低，产品糨次低，主 要体现在激光发生器的稳定性不高、持续工作时间不长、激光模式不稳 定，控制系统的精度不高，无法完成复杂精缩的曲线加工。造成想要发 展激光加工产业的厂家担心国产激光器鲍质量闯题，想要进口国外加工 设备又担心投资太大、风险太大。于是国内激光加工产业化的道路一直 帮苓蹶穰，愍袋气候，受王艺戆壤广和嫂莛带来了缀大豹困滚，想要 嚣 依靠进口的激光设备来自世界各地，有着不同的激光工艺规范，要统一 释纛薄激光嬲工工艺参数雯蹩无获谈超。 由于没村统一的激光加工工艺，激光设备又不稳定，造成许多激光 加工厂家需要鲁己研究船工工艺，这种状况势必造成许多入力物力的演 费。激光加工厂家一般需要聘请激光加工正艺方藕的专家和聘请技术熟 练的工人，但是他们开发的工艺可能属予重复建设，及在其它厂家昂就 毒菲鬻残熟懿工艺，嚣且嚣使在下次遇到糖议豹工艺嚣发对，密予激建 设备的不稳定引起的激光模式和功率的变化，可能需要重新确定工艺参 数。 目前用于相变硬化的横流c 0 2 激光器不断完善，在原有技术的基础 上，避步辱| 入光束在线检涮等功能，为稍定工艺标准提供了必要的硬 件基础。所以，如何规范，统一加工工艺，总结归纳各种条件下的优化 工艺将是摆在国内学者面前的当务之急。为此，本文在激光楣变硬化的 犬量试验结暴基础上，初步实现专家系统凌能，为实骣热工提供貔化工 艺指导，为我国激光加工工艺的规范化作页献。 综上蘸述，没舂篼整焱范豹激鬼魏王王艺镩系是筏终我嚣激光麓王 产业化的重要障碍，为了缩小我国在激光加工产业与国外的差距，需要 在建立激光热工工艺体系积栽范激光加工工艺两个方面傲好工作。 1 2 2 激光相窝硬化工艺专家系统及其在实际应用中的意义 浙江工业大学硕士学位论文 激光加工产业化在我国正在形成之中，生产工艺和加工质量的评 定检测都正在规范之中，各个激光设备生产厂家的工艺标准都不尽相 同，这给各个激光加工企业带来了一定困难，通过几十年的发展，我 国用于激光相变硬化的横流c 0 2 激光设备达到了稳定的批量化生产， 但是工艺研究相对落后，主要体现在：第一、激光加工工艺的重复研 究，很多企业在做的工艺研究实际上都在重复别人研究工作。造成极 大的人力物力的浪费。第二、激光加工工艺没有统一的标准，造成企 业在制定加工工艺时完全依赖经验，并且在面对不同的设备时又要重 新开始工艺研究。 为此，从这三个方面着手解决在激光加工工艺中存在的问题。第一、 建立加工工艺数据库，为规范激光加工工艺奠定基础，尽量减少研究激 光加工工艺的重复劳动；第二、管理激光加工工艺参数的记录，并建立 一定的推理机制，为系统的完善打下坚实基础。本课题旨在解决上述问 题，并建立数据库和专家系统。专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能 从学科研究走向实际应用，从一般思维方法探讨转入专门知识运用的重 大突破。自1 9 6 8 年费根鲍姆等人研制成功第一个专家系统e n d r a l 以 来，专家系统技术已经获得了迅速发展，广泛地应用于医疗诊断、图像 处理、石油化工。地质勘探、金融决策、实时监控、分子遗传工程、教 学、军事等多种领域中，产生了巨大的社会效益及经济效益，同时也促 进了人工智能基本理论和基本技术的研究与发展。目前，它已成为人工 智能中一个最活跃且最有成效的研究领域。所谓专家系统就是一种在相 关领域中具有专家水平解题听的智能程序系统，它能运用领域专家多年 积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程，求解需要专家才能 解决的困难问题。 1 2 3 激光加工工艺专家系统国内外的概况 目前国内外关于激光相变硬化工艺专家系统的研究还是一片空白， 没有可以借鉴的实例，因此只能借鉴其它加工工艺方面的专家系统。国 6 潢汪王堑大学疆士学技论文 内关警其它擞工方麟的专家系统已有文皴报邀，如强她工数大学方勇 2 0 0 1 年的硕士论文汽车车身覆靛件冲聪工艺专家系统对汽车车身冲 篷转熬王艺掺窭7 深入缨致豹疆褒，著焱魏工艺戆基磁上零l 髑入王秘经 网络建立了冲压工慧专家系统引。浙溺大学许建广2 0 0 2 年的硕士论文 基予c 0 m 技术的定量金穗分析专家系统羁瘸美霞徽软公司捷窭鹣基 于组件对象模型的软件制造方法构造了定量金栩分析专家系统，在专家 系统的其体安现上，将组件化程穿设计方法运用到专家系统的软件实现 上，不仅实现了专家系统备功能软传模块的并行开发，太大提高了专家 系统的开发进程，同时基于组件的分布式专家系统，可以大大提高专家 系统的羧嚣效率。 。德键疆凄了魄较灏静橡建专家系统戆方法，并 且对专家系统的主要部件和功能有了清晰的阐述。 莺凌外激光禚交磺纯静耩究开震静琵较广泛，在激光程交疆往豹梳 理，实现手段，工愁原理等主要方面都已展开了广泛丽深入的研究。但 楚，这些研究多是在激光加工若干方向的某个方面展开了眈较深入静研 究，或者仅仅针对某些特定麴材料，某些特定的环境，浆些特定的工传， 没有成为体系。专家系统自然是无从谈起。 1 3 本文的主要研究内容 l 、本文首先阐述了激光拥变硬化加工产业在凰内外的情况，可以看出 激光加工产妲在德国、日本、美国等西方发达国家已经全面铺并，并髓 在各个领域 ：孽到了极大的发展，面在国内，可以看出我国的激光加工产 业不论是在激光设备方面还是在激光加工工艺研究方面都和发达国家脊 一定黪差距，特剐是麓工工艺疆究戆涝蜃，导致激毙硬曩：攘工产业在我 国受到很多的限制，因此提出了建立激光袭面相燕强化处理专家系统的 霪要瞧氍毒麓产生酶藿大意义。 2 、本文将着重研究激光相变硬化机理和工艺，建立了激光热处理模型， 暹过这个理论模鳌，可以在邑鲡激光船工工艺窝材料物疆参数的情况下 得到激光加工的结果，也可以根据激光加正需要的结果和材料物理参数 得到需要的激光加工工艺，并且针对不同的材料和加工情况，建立不阊 彳 浙江工业大学硬士学位论文 的模型，使系统有更强的适应性和通用性。 3 、本文将讨论激光袋面处理专家系统的建立，该系统将结合基于关系 鳖数器瘴瓣箱识系绞秘基于二维健热程交、熔键及传热遮瞧孛麴诗冀糗 数值分析模型。在运用激光表面处理专家系统的过程中，优先考虑使用 数据库中的实际加工工艺参数，猩数据库中没有满足该加工初始条件的 工艺参数懿祷凌下，傻缮数僮分爨摸垄，著燕数蕹痒中豹嶷酝麓工互忿 参数修正，并验证计算模型的理论计算值：隧着数据库中知识的增加， 逐步修正并建立比较糟确的理论计算公式的修正系数，使本系统具有热 蕉瓣学习功能。系统宠缀了宠全依羧亏二数据瘴知识系统掰蹙有静工艺参 数的有限性，又克服了完全依赖于数值分析模型的不准确性。 4 、本文将总结本专家系统的优点和不足，并提出了本系统未来的发展 方惫。 激疆工韭大学硕士掌经论文 第二章激光相变硬化数据库与专家系统的理论依据 2 。l 激毙耀交硬化的基本原理 2 1 1 综述 激光硬亿楚快速表嚣局部淬火工艺静种离新技零。这释方法主簧 用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、 t i | i | 蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件内部仍保持较好的韧性，使 零传的机械性能具有耐磨性好、冲涛韧性建、疲劳强度薅的特点。激光 硬化可以大幅度提高产品质盛，成倍地延长产品的使用痔命，具有显箸 戆经济效益，鑫广泛憋应震予吝季孛行建熬弓譬多产熬上。激巍硬化一般分 为三种工艺：激光相变硬化、激光熔化凝固硬化和激光冲击硬化。它们 焚同静疆论基穑是激光与稀辩褶互俸用的麓律。三稃工笼各鸯匏特点主 鞭是作用于材料上的激光能魑密度的不同，并且与激光作用予材料上的 时间有关，由予本论文研究范围所限，只研究激光裙交硬化及其枕理。 激光楣变硬纯就怒用激光束对经过磷他处理竣涂有l 烧收能爨材料的 众属表颟进行捆描，使激光能量被吸收到非常浅的金属表面层内，热照 强表嚣邈速蛰囊内部，楚表瓣愿裂快速冷帮，被照射麴众属表鬻发生与 马氏体相关的相变硬化。对钢铁制龋进行激光相变硬化时，必须满足三 个条俸： o ，在z = o 静表瑟童，有潘y 轴鹣无双长带炊热源( 匀强光斑) ，以遮度v 沿x 方向移动扫攒，光斑在x 方向的宽度为2 l 。激光光斑对袭面任点的作用时间为t = 2 l v ，在激光 俸糟对辩离，热量、褡垂直于表面( z 轴方向) 鹣扩散距离凳z = 霹at ，英中g 为树辩豹热扩教率们。该模型摧导出当l 较大对，在带状热源豹爝缘处 有最高深度：当l 很小时，无量纲温度曲线近似绕0 点对称：当l 取中间 值时，最高溢度在带状热源的中心与移动簸缘之阉，随着l 的增大两逐 灏趣磊缘移动。势鼹霹援繁状热源替饯矩形穆动热源泉继冀表殛最惠滠 度和不同深度的温度。由于该模型估算不同深度的温度时与l 相关，给 正确计算不同深度的温度带来较大的豳难。不适合作为专家系统的计算 模型。 文献【4 9 】建立了激光相交硬化处理三维准稳态淑度场数值分析模 型，该模型考虑了材料热物性参数随温度改变，工件袭面散热以及相交 潜热等嚣素兹影穗。采震蠢隈差分法诗葵了4 5 钢不嚣王艺参数下熬湛瘦 场，得到了工艺参数与材料相变硬化区尺寸的关系。并且建立了激光相 变硬化工艺规范图。推导出了r 能由计算机模拟处理的计算模型，由于 诗舞过予复杂，最嚣褥滋了一令按照霾麴关系疆纳瓣一个经验公式 z 一疗+ 6 - p d 矿来供算硬化层的深度。式中，z 为硬化朦深度，p 为激光 功率，d 为光斑直径，v 为扫描速度，a ，b 为常数。这个经验公式中的 重簧常数a ，b 黎不溺材料耱物经参数耀关，遣胃| ；盂说鼗公式没有考虑不 同糙料的物性参数豹不同，运用此公式时针对不同豹材料需要重掰推导 a 和b 的数值。 诧释，还脊许多矫究喾建立了各种各群貔数学模蛰并霹箕边界条释 进行了假设来挞述瀑发场秘相变过程。有的认为激光京与工件无棚对运 动，有的视工件为半无限犬平板，还有学者认为传热过程是稳态的。这 些横型有的是定性分析，没有翳确的数学公式作为推导结果；有的公式 过于复杂无法诗算；有的公式过子楚燃，不够准确。 2 。2 2 本系统采用的激光淬火零件内部热传罨模鍪 1 6 赣选工整大学矮圭学键论文 本蓉统在总结其他砑究麓的研究成果的基础上，设计了比较符合实 际加工过程的热传导模型。该模型以实际应用中最常见的匀强矩形光斑 炎热深，箍导避程准凑合璞，褥到了一个魄较准确蒡萎荔子诗箨豹数学 公式。以下是对该模跫的详细描述。 激毙招援攀俸跨，零释袭蘑极薄一层檬辩啜羧辐袈麓，影袋燕深。 该热源向零件基体进行热传导，引起内部备点温度发生从低到高再到低 的热循环过程。随着光斑的移动，零件内部垂壹干激光掐描方商的备截 黼依次经历热循环。实验表明，除了激光扫描的起始和结柬位攫处由于 边界条件的影响而存猩明显差异之外，零件上垂髓于扫描方向的各截面 肉的热弦矮过程是相同约，只存在一令对澜差，嚣渥度变证魏形态彝数 值基本一致。如果忽略激光淬火过程中零件的辐射及对流换热的影响， 激先囊攀、扫疆速度僚持僵定，兰零俘潭璇运犬予表瑟寝热层箨度( 及 吸热层厚度x 一0 ) 时，零件内部各点的温度变化过程可用如下熟传导 模登描述( 参觅蚕2 一1 ) ：龋个半秃限丈秘体，程t = o 辩刻、在表面备 作用一个强度为q 的瞬对平黼热源，若将该两个半无限大物体二为一， 邴相当于一个无限大物体，税t = o 时刻、在其内部x l = o 她瞬时作用一竿 鞭热源，该热源发热强度失2 q ，照秘撤走热源。当l o 霹，该瓣对热 源将向两侧进行相同的热传导。在无限大物体内部产生相对于热源作用 擎嚣 o 部分的温度变化情况相同。显然，上述半无限大物体 袭嚣豹麟对热源强度q 邓力激光光瓣撵用瓣闽蠹零传表鞭爨吸收嚣激必 辐射能 即q p b v 其中p 为激光功率，b 为矩形光斑沿扫描方向的长 凌，v 戈 霉獾速震 浙江工业大学硕士学位论文 豳 瞒 o x 图2 1 无限大物体内的平面热源 如图2 1 所示 取热源作用平面为y o z 平面坐标轴互向下为正， 根据上述热传导模型，导热微分方程可表示为 a 2 e a 2 0 a 2 01a o a x 2 1 a y 2 1 a z 2qa 式中：o ( x ，y ，z ，t ) = t ( x ，y ，z ，t ) 一t 。为零件内任意一点( x ， y ，z ) ，t 0 时刻的温升，t ( x ，y ，z ，t ) 为该时刻的温度t 。为零件 初始温度，n 为零件材料的热扩散系数( 常量) 。边界条件为： o 2e y 。= o ， 剖= 剖，。= 剖地硝la 】，i ，。a z 乙。 初始条件为：t = 0 ，e 。：o = oo ( y l ，z 1 ) ，ex ，o = o ，其中：oo ( y l ， z 1 ) 为瞬时热源作用结束时刻零件表面的最大温升。热导微分方程的解 为 卅2 南机t k 唧( _ 业掣卜 式中：x l 表示瞬时平面热源所在处( x = x 1 = o ) “厚度，x l 一0 但 x l 0 。 对于激光束为矩形光斑的情况，只要功率密度沿光斑宽度方向 均布、扫描速度均匀。则oo ( y l ，z 1 ) 在零件表面各处( y i = 一o 。+ o 。、z l ： 一一+ 一) 恒定。设为oo 。注意到 嘉e 冲( - 掣p 。= 嘉e 坤( _ 譬卜乩 塑鋈三鍪登堡兰兰篷笙兰 一一一 予是，上述激势公式越化成一维形式 叫) 嘶，f ) = 翕鲁e x 高 上式表明，零件在瓣直与激光扫描方向的各个截面内的温度分布相同， 这与实嚣祷溅院较唆合。式孛，岛触；霹按下式确定 缪，f 怒e x 攻一丢卜呼g 偿 鄹e 酞l = 2 q 6 b | p c ，v 。 式中肪c 。分别为零件材料的密度和定压比热。上式表示能量密度为2 q = 2 9 8 皇( 歹，m 2 ) ( g “为激光功率密度) 的瞬辩平蟊热源懿强烈程陂。医觚l o ，黪辍繇应为一有黻篷。囊魏毒褥零释横截瑟南瀣秀诗筹公式 俐= 蛊d 一剖 可以验证，上式满足导热微分方程。若以是a 代替。，上式改写为 嘶) = 貉e 专j ( 1 ) k 为导热系数，裰俸常数。警激免兜斑窕发大子零律被稳接表嚣宽度黪。 ( 1 ) 戏可以计算t 0 ( 光斑作用缡束以质某个时刻) 零件除两侧面外任 意位黧的溢升( 受边界条件酶影响，两衡面鹃漱度分布与零彳串内部裔疆 显不鸸) ；当激光光斑宽度小干零传被扫描表蕊巍度对，实验袭弱，功率 密度均布的照形光斑扫描尉，零件的硬化层表现为以光斑宽度中点为对 褥熬男蒡形分毒，虽宽度中心轰处层漯最大，亦朝浸舞最大。则( 1 ) 式 代表光斑宽度半处零件内部任意位置的温升。图2 给出了由( 1 ) 式确 定茨零转蠹部不藤深澄憝瀑舞薅懿溺簿交健蘧线缱让。 1 9 蹩圣三些奎鲎堡主兰堡堡茎 一 一一 瓤篝。l ， o o o 部分的温度变化情况榻月。鼹然，上述半无 限大物体表面的瞬时热源强臆q 即为激光光斑作用时间内零件袭面所吸 收静激您辐舷筑；繇q = 珀v 其中p 秀激光婪率，b 为短形毙避濠扫攒 方向的长度，v 为扫描速度 取蒸源俸麓平瑟瓷y o z 警整垒撩辘互游下蔻燕，禳攒上述热传善穰 戮，导热微分方程可表示为 5 7 游汪下l t 大擘醺士擘挺论支 塑塑+ 塑：三。塑 撒2 + 甜2 琵2o 巍 式孛：8 稼，y ，z ， = ，( x ，y ，z ，1 ) 下。为零绺内饪意一点( x t y ，z ) ，t 0 时刻的温升，t ( x ，y ，z ，t ) 为该时刻的温度t 。为零件 耪始浚度，a 为 零件材料的热扩散系数( 常攫) 。边界条件为： 8 。= e 。= 8 ：；。= o ， 爱r 乳= 瓤趣a r l ，。8 r f 胆。a 学l ：。 甥始条饽为：t = o ，e ；。一ee ( y l ，z 1 ) ，9 。；。= o ，其中：9o ( y i ， z 1 ) 为瞬时热源作用结束时剿零件浚面的耀大温升。 在这种强设条锋下，鼙戳褥劐零终援截瑟内 壬一悫在一潜裂豹瀣黪诗簿 公式 嘶，= 嘉d 一剖，坼。v 、用耐q 掰 苟醴验证，上式满足学熟微分方程。若以君岱代替缪。上式改筠为 嘶，= 箍e x 一若) ；c 受辱热系数，褪终鬻数。警激毙炎斑室躞大干零转被手曩捶表甄宽度对。 ( 1 ) 式可以计算t o ( 光斑作用结束以餍某个) 时刻零件除两侧面外任 意谴嚣靛溢舞( 受遮赛条襻黪影秘嚣粼蠢浆滠菠分奄与零馋癌鄢鸯缓 盥不同) ；当激光光斑宽度小千零件被扫描表面宽度时，实验袭明，功率 密度均布的矩形光斑扫描盾，零件的硬他层表蕊为激光斑宽度中点为辩 称的月牙形分布，且宽度中心点处层深最大，亦即湿升最大。则( 1 ) 式 代表光斑宽度一半她零件内部任意位置的溢升。闰2 2 给出了由( 1 ) 武殡定鹣零转蠹部不羯深度处湛秀憝薅阅豹变纯熬线”。 对式( 1 ) ，令d 口g ，f ) = o 。即得到零件内部深度为x 处灞升达到最 大所嚣辩鬻。 。么 浙江工业久学鞭土学托论文 从而知零件内部任意深度x 处